宇宙機構造材料の応用状況と将来展望

著者: 王慧芬、楊碧奇、劉剛

1957年に最初の人工衛星が打ち上げられて以来、人類は航空宇宙構造材料の研究と注目を止めたことは一度もありません。近年、衛星技術の急速な発展により、一方では構造材料に対する要求が高まり、他方では新材料の生成と開発も促進されました。世界中のすべての主要航空宇宙機関は専用の材料研究センターを持ち、宇宙船の構造材料の開発を続けています。たとえば、米国の NASA ラングレー研究センターと中国の航空宇宙材料技術研究所は、どちらも新しい航空宇宙材料と構造の研究、開発、テストを担当する機関です。 2012年にNASAが発表した「宇宙技術開発ロードマップ」では、材料と構造は依然として14の主要な開発分野の1つとして挙げられており、2015年にさらに洗練され改善されました。

宇宙船のペイロードの複雑さと使用環境の特殊性により、材料選択の要件は従来の機械製品の要件とは大きく異なることがよくあります。構造材料としての最も基本的な機能は荷重を支え、伝達することであるため、選択される材料は高強度、大きな弾性率、および優れた靭性を備えている必要があります。特に有人宇宙飛行や深宇宙探査の発展に伴い、有効ペイロードは徐々に増加し、衛星プラットフォームはますます大型化しており、この点における材料の性能に対する要求は高まっています。わが国の風雲シリーズの気象衛星が第3世代、すなわち第2世代の極軌道気象衛星FY-3に発展した時点で、リモートセンシング検出器の数は12個に達し、それに応じてそのプラットフォームにはより大きな衛星搭載能力が必要になりました。

材料の性能を落とさずに軽量化することは、業界が追求する永遠の目標であり、その実現はコスト削減につながるだけでなく、環境汚染の削減にも役立ちます。車を例にとると、質量が 10% 減少するごとに、燃料が 6% ～ 8% 節約されます。これは、打ち上げコストが極めて高い衛星の場合に特に当てはまります。統計によると、宇宙軌道に入る宇宙船の質量が 1 kg 減少するごとに、打ち上げコストが約 20,000 米ドル節約されるため、可能な限り密度の低い材料を使用する必要があります。高強度と高剛性の性能要件を組み合わせるには、高比弾性率（弾性率と密度の比）と高比強度（強度と密度の比）の材料を使用する必要があります。その中で、高比弾性率の材料は、構造の固有振動数と安定性の向上、打ち上げ時の過度な動的応答荷重の防止、衛星姿勢制御システムの正常な動作の確保、打ち上げ圧縮荷重下における衛星の薄肉構造の安定性の向上にも非常に有益です。

さらに、衛星は長期間宇宙で稼働し、軌道上の寿命が長くなるため、選定される材料も宇宙環境において優れた安定性を備えている必要があります。構造材料、特に宇宙空間に露出する外装材料については、要求される機械的・物理的特性を確保するために、真空、高温・低温交互の温度変化、紫外線、電子線、原子状酸素などの条件下で組成、構造、品質に大きな変化が生じないことが求められます。

1. 宇宙機構造材料の性能特性と適用状況<br /> 現在、宇宙船に使用されている構造材料は、主に金属材料と複合材料の2つに分けられます。金属材料は性能と加工・製造基盤が成熟しており、衛星構造材料として常に第一選択となっています。また、新興材料である複合材料も、低密度や優れた設計性などの優れた利点から宇宙船構造の作業員に好まれており、衛星の主な構造材料として徐々に金属に取って代わる傾向にあります。

1.1 金属材料<br /> 金属材料は溶接が可能で、衛星の密閉シェル構造によく使用されます。また、ジョイント、ブラケット、その他の荷重支持構造部品にも広く使用されています。金属材料のうち、合金鋼は産業界で最も広く使用されている構造材料ですが、航空宇宙分野では、合金鋼を使用した少数の構造を除いて、より軽量なアルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金などが主な材料として使用されています。表 1 に示すように、比弾性率が同等の場合、軽量合金の密度は大幅に低くなります。

軽量合金の中でも、アルミニウム合金は比較的安価で、熱伝導性、電気伝導性、耐腐食性に優れており、現在、衛星に最も広く使用されている軽金属材料です。一部のアルミニウム合金は低温特性にも優れており、温度が下がると強度と可塑性が増加します。古典的なスペースシャトルの時代では、乗員室、前部胴体、中央胴体、後部胴体、垂直尾翼、フラップ、エレボン、水平尾翼はすべてアルミニウム合金で作られていました。米国では、7075、7475、7055などの7シリーズアルミニウム合金が主に研究され、応用されています。これらの成分を含むアルミニウム合金は、強度が高いだけでなく靭性も高く、各国の航空宇宙材料研究者が常に追求してきた目標です。材料処理技術の発展の制限により、高強度アルミニウム合金は我が国ではほとんど使用されていません。しかし、宇宙船の軽量設計を実現するために、これは常に研究する価値のある方向性です。

現在宇宙船に使用されているアルミニウム合金には、主にアルミニウム合金厚板、アルミニウムハニカムパネル、アルミニウムリチウム合金などがあります。その中で、アルミニウム合金厚板は、強度が高く、靭性、耐応力性、耐剥離腐食性に優れ、破壊靭性も良好で、疲労亀裂成長抵抗も強いため、航空宇宙材料として非常に優れた総合性能を持っています。また、アルミハニカムサンドイッチパネル構造は、比強度、比剛性が高く、断熱性、防振性に優れ、デザイン性に優れているため、航空宇宙分野で広く使用されており、現代の衛星の主な耐荷重構造となっています。 1980年代に開発されたアルミニウムリチウム合金は、リチウムの添加により合金の密度を下げ、剛性を高めながらも、高い強度、優れた耐腐食性、耐疲労性、適切な延性を維持できるため、21世紀の航空宇宙分野における最も理想的な構造材料と考えられています。上記 3 種類のアルミニウム合金は、航空宇宙分野で優れた性能を発揮するため、我が国のアルミニウム合金研究の方向性と焦点となります。

チタン合金が他の軽金属材料に比べて優れている点は、比強度が最も高く、耐腐食性が最も優れており（ステンレス鋼よりもはるかに優れている）、高温と低温の機械特性が優れていることです。550℃の高温とマイナス250℃の低温で長時間作動しても性能は変わりません（アルミニウム合金は最高200～300℃でしか作動しません）。チタン合金は線膨張係数が小さいため、温度によって寸法が変化しないことが求められる部品として使用できます。第一世代のスペースシャトルの熱防護システムでは、熱防護タイルとしてチタン合金 Ti1100 が使用されていました。イギリスの宇宙飛行機HOTOLの胴体素材も部分的にチタン合金で作られています。国産新型通信衛星の耐荷重コーン部は、高強度チタン合金製の大口径二重波形シェル構造を採用し、質量が約50％軽減され、耐荷重能力が80％向上した。

チタン合金は価格が高いため、一般的には耐荷重能力の高い主要部品や、構造特性と熱特性の両方に高い要件が課される状況でのみ使用されます。

しかし、チタン合金は、その優れた機械的、熱的、化学的特性により、構造システムだけでなく、制御システムなどの他のシステムでも大きな可能性を秘めています。さらに、チタン資源は豊富で、埋蔵量は鉄とアルミニウムに次ぐものです。現在の困難は、原材料から市場への転換に大きな抵抗があり、技術と経済の両方が重要な問題となっているという事実にあります。

マグネシウム合金は、表1に記載されている合金の中で最も密度が低い材料です。また、振動減衰能力に優れ、切断や加工が容易で、リサイクルも可能です。「21世紀のグリーンメタルエンジニアリング構造材料」として知られています。現在、ヨーロッパ、アメリカ、日本などの工業先進国はマグネシウム合金の研究開発を非常に重視しており、航空宇宙、自動車、軍事、3C産業にマグネシウム合金を応用しています。衛星に使用されているマグネシウム合金のほとんどは、比較的強度が低い鋳造マグネシウム合金です。一般的には、常温や低温での低荷重に耐える構造部品の製造に使用されます。中国にはマグネシウム合金を研究する機関が数多くあるが、宇宙船への応用はそれほど広範囲ではない。マグネシウム合金は耐食性が弱く、動作温度が長時間150℃を超えることができないという制限がある。

1.2 複合材料<br /> 宇宙船の構造に使用される複合材料は主に繊維強化複合材料であり、マトリックスは一般的に熱硬化性エポキシ樹脂です。繊維の種類によって、炭素繊維強化タイプ（一般的なグレードはM60、M55J、M40J、T700など）、ケブラー繊維強化タイプ、ガラス繊維強化タイプ、ボロン繊維強化タイプに分けられます。表１と表２を比較すると、複合材料の比弾性率と比強度は、上記軽合金よりもはるかに高いことがわかります。

複合材料の中でも、炭素繊維エポキシ複合材（CFRP）は、低密度（マグネシウムやベリリウムと同等）、高強度（アルミニウム合金の3倍以上）、大きな弾性率、特に軽量かつ高強度という優れた特性を有しており、航空宇宙分野のあらゆる分野で最も人気のある複合材料です。 CFRP は異方性があるため設計性に優れており、さまざまな使用条件に最適な材料を選択できます。同時に、複合材料は大面積の一体型部品に容易に成形できるため、宇宙船の製造工程を簡素化し、製造サイクルを短縮する上で重要な保証となります。国内外の宇宙船では複合材料の使用が大きな割合を占めています。現在、衛星における炭素繊維強化複合材料の応用は、主に衛星本体構造、太陽電池アレイ、アンテナ構造に反映されています。比強度が高く、比剛性が大きく、耐疲労性に優れているため、衛星シェル、中央荷重支持シリンダー、各種機器設置構造プレートなどに最適です。 CFRP は線膨張係数が小さいため、大型のバッテリーアレイによく使用されます。衛星に搭載される大型パラボラアンテナなどの指向性の強いアンテナは、温度変化の激しい宇宙環境でも安定した形状を保つことが求められるため、炭素繊維強化複合材料がより適しています。

しかし、複合材料には吸湿性などの固有の欠陥もあります。CFRP を大気中で保管して使用すると、湿気や温度の影響で機械的特性が大幅に低下します。樹脂マトリックスが水分を吸収すると体積膨張を引き起こし、熱変形や応力が発生するだけでなく、材料自体の剛性や強度も低下します。さらに、CFRP加工精度の安定性を向上させる必要があります。これらの問題に対処するための効果的な解決策としては、高弾性率、高強度、高熱伝導率の繊維の研究開発、樹脂マトリックスの耐高温・耐低温性のさらなる向上、複合材料の自動製造設備の積極的な開発などが挙げられます。

2. 宇宙船構造材料の展望<br /> 航空宇宙産業の急速な発展に伴い、宇宙船の構造材料も長期的かつ継続的な発展を遂げていくでしょう。宇宙船構造に使用される新型軽合金の割合は徐々に増加しており、複合材料の応用は宇宙船構造材料の変革を促進し、急速な発展を遂げています。金属と無機・有機材料の優れた特性を兼ね備えた金属系複合材料も、航空宇宙構造研究者の視野に入ってきています。さらに、構造材料は構造設計と切り離せないものであり、従来の複雑な構造の一部は、新しい多機能構造 (MFC) や 3D プリント構造に置き換えられつつあります。今後、宇宙船の構造材料は多様化、高性能化の傾向を示すでしょう。

2.1 伝統的な軽合金は依然として主流であり、新しい軽合金が徐々に使用されるようになるでしょう。現代の衛星の高性能と軽量構造の要件を満たすために、合金材料は徐々に複合材料に置き換えられる傾向があります。特に複合材料は自動車や航空の分野ですでにその能力を発揮していますが、軽量材料に対する要求が高い航空宇宙分野でもその可能性を示し始めています。しかし、研究が深まるにつれ、現在一般的に使用されている樹脂ベースの複合材料には、靭性が悪い、二次加工性が悪い、耐熱性や耐湿性が悪い、宇宙環境への適応性が悪いなどの固有の欠陥があることが判明しました。短期間で宇宙船に大規模に使用することは困難です。これにより、航空宇宙分野における合金材料の応用と開発の余地と機会が生まれます。

最近の研究では、アルミニウム合金やマグネシウム合金にリチウムを添加してアルミニウム-リチウム合金やマグネシウム-リチウム合金（図1）を形成すると、密度が低く、他の特性の低下がほとんどない合金材料が得られることがわかっています。米国はかつて、室温や低温での低負荷に耐えられる構造部品を作るために宇宙船にこれを使用していた。上海衛星装備研究所は衛星製造組立部門として、西安交通大学が「第12次5カ年計画」期間中に開発したマグネシウム・リチウム合金の体系的な実証と応用研究を行い、良好な成果を上げ、現在では二次荷重支持部品の一部モデルに普及・応用されている。

図1 マグネシウム・リチウム合金部品の製造技術とプロセスが成熟するにつれて、特に近年のマグネシウム合金表面処理技術の向上により、合金の耐食性が向上し、衛星構造物への適用が拡大しています。

チタンニッケル合金は、その形状記憶機能により航空宇宙分野でも注目を集めています。温度が材料のマルテンサイト逆変態の開始温度よりも低い場合、部品は一定の外力を受けて任意に変形する可能性があります（極限ひずみは 6% ～ 8% に達する可能性があります）。その後、マルテンサイト逆変態終了温度まで加熱すると、熱弾性マルテンサイト相変態の原理により、部品は自動的に元の形状に戻ります。現在、チタンニッケル合金は衛星のパイプジョイントや熱に敏感な部品などへの応用が研究されており、形状記憶合金の応用により、従来の火工品の使用がなくなり、衛星の機構を安全かつ確実に放出するための保護が強化されることが研究で示されています。そのため、形状記憶合金は大きな開発の可能性を秘めた宇宙船用金属材料です。

また、鉄やプラスチックに続く第三次材料革命の新素材である金属ガラス（アモルファス合金）も衛星に使用されています。金属ガラス内部の原子の無秩序な配列と自由体積の存在により、同じ組成の金属合金よりも密度が低く、強度が高くなることがよくあります。近年、燕山大学は、将来の衛星構造物への採用が期待される衛星太陽電池伸長機構や主要ギア等のアモルファス合金部品の製造に成功している。

2.2 複合材料は発展の勢いが強く、その応用範囲は拡大し続けるでしょう。複合材料は開発期間が短いですが、その急速な発展傾向は、複合材料に大きな応用の見通しがあると人々に信じさせるのに十分です。航空分野における複合材料の応用は、常に航空宇宙分野よりも進んできました。航空機におけるその応用は、二次荷重支持構造材料から一次荷重支持構造材料へと発展してきました。ボーイング787やエアバス380など、世界の大型航空機の構造部品における複合材料の使用率は40～50％を占め、先進的なヘリコプターの構造部品における複合材料の使用率は80％を超えています。ボーイング社とエアバス社の公開研究データによると、2020年までに両社の航空機構造のすべてが複合材料で作られることになるという。同様に、複合材料は航空宇宙分野で大きな開発の余地と将来性を持つでしょう。これは、これまで衛星トラスで広く使用されていたアルミニウム合金トラスジョイントが、炭素繊維複合材料ジョイントに完全に置き換えられているという事実によって証明されています。図 2 は典型的な炭素繊維複合材ジョイントを示しています。現在でも、炭素繊維高性能複合材料は複合材料の研究と応用の焦点となっています。我が国は、国際的な先進レベルとの差を縮めるために、現在、複合材料の基礎研究に大きな力を入れています。低コストの統合製造技術の発展、自動化、大規模化、高精度化が進む製造設備の成熟、マトリックス樹脂と炭素繊維の性能の継続的な向上により、炭素繊維強化樹脂ベースの複合材料の耐湿性、耐熱性、破断伸びが大幅に向上し、宇宙船構造における複合材料の使用は必然的にさらに増加するでしょう。

また、樹脂系複合材料の湿気熱効果や不十分な熱伝導性、放熱性などの固有の欠陥に対応するために、既存のマトリックスの欠点を補うために金属マトリックス材料を使用することを提案する人もいます。実験では、複合材料の性能を大幅に向上できることが示されています。たとえば、材料の動作温度を160°Cから400°C以上に上げることができ、より厳しい宇宙総合放射線や高温と低温が交互に繰り返される環境条件に耐えることができ、真空中のガス放出率が極めて低く、耐湿性と密閉性が良好などです。 2017年に打ち上げられた最新の気象衛星「風雲4号」の主要ペイロードにはAl/SiC複合部品（図3）が使用され、宇宙温度範囲内で高い寸法安定性と高性能信頼性を実現しました。金属マトリックス複合材料の需要は今後さらに増加すると予想されます。

2.3 構造材料と機能材料の統合は最新の開発動向であり、高性能と軽量化は宇宙船の材料設計において追求される永遠の目標です。より軽い材料を使用するだけでなく、材料の使用量を減らすことも重量を減らすより効果的な方法です。これを基に、ロッキードマーティンは、2 つ以上の機能を同時にまたは順番に実行するように設計された構造である多機能構造を発明しました。このタイプの構造は通常、複合材料構造であり、多機能デバイスが組み込まれた新しい構造複合材料や、ポリマー、金属、セラミックなどを含む、それ自体が多機能を含む構造材料が含まれます。パッケージング技術が向上するにつれて、構造物に使用される機能性材料はますます増えていきます。

2012年にNASAが発表した「宇宙技術開発ロードマップ」では、「材料、構造、機械システム、製造」分野で軽量構造設計や多機能構造材料の応用に関する研究の重要性と必要性が強調されました。多機能構造材料は、高度な計算設計および製造技術を活用して、これまで実現が困難だった特性と機能の組み合わせを実現できます。これらのシステムは、機械的特性を改善し、環境特性や損傷を感知する能力を高め、損傷を修復して性能を維持する能力を高めることができます。

この分野での国内研究も深化しており、航空宇宙材料技術研究所が主導する「多機能構造複合材料統合技術」プロジェクトでは、複数の機能を持つ複合材料を設計し、複数の機能技術の効率的な統合を実現し、構造重量を35％削減し、複数の製品モデルに適用されている。

将来の宇宙船の主要構造は依然として合金または複合材料で作られ、他の部分の構造は力を支え伝達する能力だけでなく、他の機能も持つようになると考えられます。軽量素材と新しい構造の採用により、宇宙船はより小型、軽量、高機能になります。

2.4 積層造形は宇宙船の構造材料の形状を変える。積層造形技術の利点の1つは、従来の構造設計とプロセスに代わる、複雑な構造でありながら優れた機械的特性を持つ構造物の製造を実現し、構造を最適化できることです。この技術は、単一部品/小ロットの衛星構造製品の製造に非常に適しており、衛星構造の設計、製造、組み立てプロセスに革命的な影響を与えるでしょう。例えば、上海衛星設備研究所は、選択的レーザー溶融（SLM）成形技術と軽量バイオニック格子構造を使用して、衛星の下端フレームの軽量統合設計を実施し、アルミニウム合金を使用して軽量下端フレームサンプルを形成し、図4に示すように、構造重量を24.58％削減し、負荷条件下でより均一な応力分布を実現しました。衛星マルチチャンネルジョイントでは、軽量設計の最適化のためにラティス構造などの効率的な荷重支持構造が採用されており、図5に示すように、設計強度と剛性の要件を満たしながら、構造重量を最大32%削減するためにアルミニウム合金成形軽量マルチチャンネルジョイントが使用されています。

3. 結論宇宙船の大型化、複雑化、高精度化が急速に進み、深宇宙探査機の開発も加速する中、軽量で高強度な宇宙船用構造材料の需要は極めて切実になっています。宇宙での長期使用のため、選択された材料は宇宙環境でも優れた安定性を備えている必要があります。アルミニウム合金は総合的な特性に優れ、衛星構造材料として常に第一の選択肢となっています。また、新興材料である複合材料も、低密度や優れた設計性などの優れた利点があるため、宇宙船構造の作業員に好まれています。

現在の衛星本体構造と関連する事前研究プロジェクトを見ると、軽合金、特にアルミニウム合金は一定期間依然として主流であり、マグネシウムリチウム合金などの新しい軽合金が徐々に使用されるでしょう。複合材料は発展の勢いが良く、その応用範囲は拡大し続け、特にAl / SiCなどの金属複合材料は優れた宇宙安定性と信頼性を示しています。構造材料と機能材料の統合は最新の開発トレンドになるでしょう。さらに、ナノ複合材料、積層造形、構造材料の統合などの新興材料技術も構造分野で登場し始めており、宇宙船の構造材料とその形状の開発に大きな影響を与えることは避けられません。

著者: 王慧芬、楊碧奇、劉剛、出典: 上海衛星設備研究所、新素材シンクタンク

宇宙機構造材料の応用状況と将来展望

スーパーノヴァ、防衛・航空宇宙産業向けに3Dプリント爆発物材料部門を立ち上げ

医師らが3Dプリント技術を使って「エイリアンの赤ちゃん」を治療

チュング・リー・シウェン独占インタビュー：2021年の3Dプリント業界の変革は新たな価値創造をもたらす

3DオーラルIPの新種、セブンスエレメントが工業団地に力を与える

ストラタシスがラドフォードタイプ 62-2 パイクスピークエディションの 3D プリント部品の独占サプライヤーに

チェコの大学院生がパイナップルの葉とココナッツフレークを使ってリサイクル可能なオーガニックサンダルを3Dプリント

ドイツのBASF、HP 3Dプリンター向け新素材の開発を加速

QUALUPは、さまざまなタイプの高温ポリマーFFFシステムに適応するフルアングル回転プリントヘッドとインテリジェント制御ソフトウェアを発売しました。

清華大学とアメリカン大学が共同で高純度の胚性幹細胞モジュールを3Dプリント

DBドイツ鉄道における3Dプリントの役割を探る

推薦する

ロシアのロボット宇宙飛行士が3Dプリントされた骨組織サンプルを持って地球に帰還

目を引く！アーティストが高さ3メートルの花の彫刻を3Dプリント

ハイリオンは米国と協力し、再生可能天然ガス充填ステーションのアップグレードに取り組む

MIMAKIがリアルなカラーLED光硬化3Dプリントソリューションを提供

UTSA は米国国防総省から軍事防衛 3D プリントの信頼性向上のための助成金を受領

パーマロイ付加製造プロセスプラン、ラジウムレーザー軟磁性合金成形プロセスの詳細な説明！

武漢 Yizhi の Cai Daosheng: 最高の量産グレードの MBJ (金属バインダージェッティング) 3D 印刷速度はどれくらいですか?

デジタル製造の仁経と杜経を開き、APRO が積層製造業界にどのような力を与えるかを見てみましょう。

3Dプリント技術を使用して、卒業プロジェクトを短時間で美しく安価に完成させます

ソルベイ、3Dプリントシミュレーションソリューション向け高性能ポリマーを発売

エコノミスト、2012年: 3Dプリンターが第三次産業革命をもたらす

20191212、2019上海国際STEAMイノベーション科学教育博覧会

研究開発から応用まで、佛山の企業は医療分野における3Dプリントの新たなトレンドを捉える

重要：HPがフルカラーのJet Fusion 300および500 3Dプリンターを発売

【市場分析】3Dスキャナは二極化を招き、ハンドヘルドスキャナは市場競争に影響を与える可能性がある